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APLICACIÓN DE MATLAB PARA GENERAR EL MAPA DE
COBERTURA DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE
GENERATING DIGITAL TERRESTRIAL TELEVISION COVERAGE MAP WITH A
MATLAB CODE
Ing. Yandrié Oyarzábal Estopiñan1, Ing. Aurora Fernández Bezanilla2
1 LACETEL, Instituto de Investigación y Desarrollo de Telecomunicaciones, [email protected], 6832814
2 LACETEL, Instituto de Investigación y Desarrollo de Telecomunicaciones, [email protected], 6832814
La Habana, Julio 2013
INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TELECOMUNICACIONES
RESUMEN
En la Habana se desplegó a partir de mayo del 2013 una Zona de Demostración de
Televisión Digital Terrestre de la norma DTMB, con el objetivo de implementar pruebas
que mejoren la cobertura y la calidad de servicio durante el período de transición de la
televisión analógica a la digital. Este artículo pretende utilizar Matlab, poderosa
herramienta de software que permite hacer múltiples análisis de procesamiento y
representación de datos, para realizar el procesamiento de los datos medidos y
registrados como parte de unas pruebas realizadas en diferentes emplazamientos
dentro de la zona de demostración teniendo en cuenta la recomendación de la UIT-R
BT.2035-2-2008. Esta especificación brinda directrices para la evaluación de sistemas
de radiodifusión de televisión terrenal incluyendo la determinación de sus zonas de
cobertura, especificando los planes para las pruebas de campo y los procedimientos de
medida de la cobertura. Mediante la implementación de funciones en Matlab se logrará
obtener los mapas de cobertura con los valores de intensidad de campo calculados con
la potencia de señal medida en los emplazamientos fijos, determinar zonas límites de
cobertura, determinar valores específicos de intensidad de señal en puntos
seleccionados y mucho más.
Palabras Clave: Laboratorio de Matrices, Televisión Digital Terrestre (TDT), Mapa de
Cobertura.
INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO DE TELECOMUNICACIONES
ABSTRACT
A DTMB standard digital terrestrial television demonstration zone was deployed in Havana
since May 2013, the purpose was to develop tests who will improve the coverage and quality
service during the transition time lapse from analog to digital television. This article intent to use
Matlab, powerful software tool that allows multiple processing analysis and data representation,
in order to make the computation of measured and recorded data throughout a test carried out in
different locations inside the demonstration zone based on UIT recommendation BT.2035-2-
2008. This recommendation provide guidelines to assess terrestrial television systems including
field test planning and coverage measure procedure. Implementing Matlab functions or scripts,
we will generate coverage map based on field strength calculated with the signal power
measured in fixed locations, define coverage boundaries and intensity signal values in selected
locations, and so on.
KeyWords: MatrixLaboratory (Matlab), Digital Terrestrial Television, Coverage Map.
1. INTRODUCCIÓN
Matlab es una poderosa herramienta de software matemático que ofrece un entorno
de desarrollo integrado, con un lenguaje de programación propio (*.m). Está disponible
para múltiples plataformas entre ellas Windows y Linux. Entre las múltiples prestaciones
que brinda se encuentra el procesamiento y representación de datos. El empleo de esta
herramienta facilitará el procesamiento de los parámetros registrados en una base de
datos en Microsoft Excel, que se recogieron en 70 emplazamientos en el Oeste de la
Zona de Demostración de Televisión Digital de la norma DTMB en La Habana, el
análisis permitirá evaluar calidad de servicio, determinar áreas de cobertura, análisis de
límites de cobertura, entre otros parámetro. Se emplea como base para la realización
de las mediciones la Recomendación UIT-R BT.2035-2-2008. La intención es contar
con un software en Matlab que permita generar gráficos de cobertura de TDT a partir de
datos registrados en diversos puntos de la zona de demostración, y corroborar las
potencialidades de este código para ser reutilizado e incluir posteriores análisis, que
contribuyan a mejorar y expandir el servicio.
2. NORMA DTMB DE TELEVISIÓN DIGITAL TERRESTRE
En Cuba se tomó la decisión de adoptar la norma DTMB para transmisión de
Televisión Digital Terrestre. La norma DTMB (Digital Terrestrial Multimedia Broadcast)
es el estándar chino de televisión digital terrestre, GB20600-2006, para transmisión de
definición estándar (SD) y alta definición (HD). El estándar GB20600-2006 define la
estructura de trama, codificación de canal y modulación para la radiodifusión de
televisión digital terrestre (TDT). La norma DTMB se emplea casi exclusivamente en
China, Hong Kong y Macao. La adopción por parte de Cuba responde a los resultados
de pruebas comparativas realizadas en todo el mundo, las cuales la señalan como la
más completa técnicamente, las pruebas fueron realizadas en Diciembre 2007 en La
Habana, Cuba; Mayo 2008 en Caracas, Venezuela; Noviembre 2008 en Perú; Mayo
2009 en Cuba y Julio 2009 en Quito, Ecuador, además de otras realizades en Beijing.
3. ESPECIFICACIONES DE LA MEDICIÓN DE COBERTURA
3.1. Medición de Cobertura
Las mediciones de cobertura están programadas a realizarse en 138
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emplazamientos de prueba de la zona de demostración, 70 en el Oeste y 68 en el Este,
seleccionados atendiendo a experiencias de anteriores mediciones en televisión
analógica y a la cobertura teórica estimada por el software EMLAB de cada transmisor.
La (Fig. 1) muestra los 70 puntos de la zona Oeste en un mapa, se encuentran
representados además los 5 transmisores que se encuentran operando en la zona de
demostración de La Habana. Como se puede observar dos transmisores Guanabo y
San Pedro cubren mayormente el Este por lo tanto no se registraron datos suficientes
para generar su mapa de cobertura.
El trabajo solo muestra el procesamiento de los datos recogidos en el Oeste de la
zona de demostración, por lo tanto los mapas de cobertura no representan toda la zona
que es capaz de abarcar el transmisor, pero para comprobar la efectividad del software
realizado es suficiente. En este caso se cuenta con datos registrados para generar
mapas de cobertura parciales de los transmisores de Televilla, Habana Libre y Balcón
de Lawton.
Fig. 1: Emplazamientos medidos en el Oeste de la Zona de Demostración de TDT
Los datos registrados se obtuvieron a partir de una medición precisa en el punto,
Televilla
Habana Libre
Lawton
Guanabo San Pedro
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pero no se realizaron las mediciones adicionales por no contarse con el vehículo
apropiado para las pruebas con un mástil telescópico a 10 m como se recoge en la
Recomendación. En su lugar se empleó un mástil fijo de 3 m de altura, por lo cual el
Mapa de Cobertura que se obtuvo está referido a 3 m y no a 10 m como se especifica
en la Recomendación.
3.2. Equipamiento empleado
1. Antenas de referencia calibradas: Dipolo ajustable para banda UHF de impedancia
50 Ω (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
Fig. 2: Dipolo ajustable empleado en las mediciones
2. Un sistema de distribución en RF por coaxial calibrado que incluye: un combinador
de 4 puertos para banda UHF (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.), y
atenuadores para banda UHF.
Fig. 3: Híbrida de 4 puertos 470-860 MHz
3. Adaptador de impedancia 50/75 Ω (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
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Fig. 4: Acoplador Resistivo 50/75Ω
4. Receptor GPS (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
Fig. 5: Receptor GPS empleado en las mediciones
5. Dispositivo Tidycast (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.) para registro de
parámetros DTMB y software para procesamiento de los datos en una laptop (¡Error!
No se encuentra el origen de la referencia.).
Fig. 6: Dispositivo Tidycast empleado en las mediciones
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Fig. 7: Conjunto de accesorios del Kit de mediciones Tidycast
6. Receptor de televisión digital: Caja Decodificadora (¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.) conectada a un televisor analógico (¡Error! No se encuentra el origen de la
referencia.).
Fig. 8: Caja decodificadora empleada en las mediciones
Fig. 9: Televisor analógico empleado en las mediciones
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7. Generador de ruido: Modulador DTMB (¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.).
Fig. 10: Modulador DTMB empleado en las mediciones para generar ruido
4.1. Conjunto de datos registrados
1. Potencia del canal, en dBm, a partir de la cual se calculó la intensidad de campo, en
dBµV/m. Adicionalmente se registraron el MER (dB) y el SNR (dB).
2. Margen del sistema. Adicionalmente se registró el Margen de Ruido.
3. Marcación de cada emplazamiento y distancia respecto a la antena transmisora.
4. Fecha, hora del día, topografía, tráfico y observaciones meteorológicas.
5. Acimut de la antena receptora para el cual se registró mayor potencia de canal.
6. Lista de equipamiento detallada.
7. Diagrama en bloques del sistema de determinación de la cobertura.
8. Descripción del procedimiento de medición.
9. Calidad subjetiva de los canales analógicos, en la dirección óptima de mayor
potencia del canal digital y con la antena sintonizada a la frecuencia de este canal.
Estos datos se registraron para la recepción fija. En el caso de la recepción móvil se
registraron solo los datos de los incisos: 1, 7, 8 y 9.
4.1. Set de mediciones
Para la recepción fija se empleó un dipolo de impedancia 50 Ω, y como todos los
dispositivos, excepto la caja decodificadora y el TV, poseen interfaces de 50 Ω, todo el
coaxial empleado en el sistema de distribución en RF tiene esta impedancia.
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Fig. 11: Esquema del set de mediciones empleado para recepción fija
El coaxial de 75 Ω se utilizó solo para la conexión por RF entre la caja decodificadora
y el TV, la cual fue necesaria para la visualización de los canales analógicos en el TV.
Para convertir el sistema de 50 a 75 Ω, se utilizó un acoplador resistivo a la entrada de
la caja decodificadora. Los atenuadores variables se emplearon para medir el margen
de la señal (atenuador 1) y el margen de ruido (atenuador 2). Para generar el ruido
dentro del canal se utilizó un modulador DTMB. Para el análisis espectral y
procesamiento de la señal DTMB se utilizó el dispositivo Tidycast y una PC.
Tabla I: Pérdidas del sistema de recepción fija producto de la híbrida
Pérdidas
Frec (MHz)
A-C (dB)
A-D (dB)
B-D (dB)
527 3.8 4.2 5.7
575 3.9 4.1 5.8
617 4.3 4.4 5.8
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677 4.1 4.1 6.0
695 4.7 4.5 6.4
La Tabla Imuestra las pérdidas de la señal en distintos puntos del set de medición para
la recepción fija y a las frecuencias de trabajo. Estas pérdidas se utilizaron para hacer la
corrección de los valores de potencia de señal medidos con el Tidycast.
4.1. Procedimiento de medición
En cada punto de prueba se estableció un procedimiento de medición para la
recogida de los datos:
1. Sintonizar el dipolo a la frecuencia de la antena transmisora.
2. Orientar la antena en la dirección de óptima calidad determinado por el nivel de
señal medido en el STB y el mejor valor de potencia de canal registrado en el
dispositivo Tidycast conectado al dipolo.
3. Registrar los valores de Nivel de señal, Calidad y C/N que mide el STB.
4. Registrar en el software Measurement Studio, aproximadamente 60 muestras de los
valores de Potencia de Canal, MER y SNR que mide el dispositivo Tidycast.
5. Realizar una búsqueda automática de los canales analógicos y registrar la calidad
subjetiva de los canales captados.
6. Atenuar la señal de RF de entrada de forma controlada hasta alcanzar el Umbral de
visibilidad (TOV). Registrar el valor del atenuador y el margen del sistema medido en
el dispositivo Tidycast.
7. Encender el generador de ruido, modulador DTMB, atenuar la señal de RF de
entrada de forma controlada hasta alcanzar el TOV. Registrar el nivel de señal del
modulador (-9 dB por defecto), registrar el valor del atenuador y registrar el margen
de ruido medido en el dispositivo Tidycast.
En el caso de los emplazamientos donde la señal no se vio o se viopixelada no se
realizó los registros de los pasos 5, 6 o 7.
Todos los datos medidos fueron registrados en una base de datos en Microsoft Excel
para cada emplazamiento medido.
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4. PROCESAMIENTO DE LOS DATOS Y GENERACIÓN DEL MAPA DE
COBERTURA.
Una vez desarrolladas estas mediciones se van a emplear para obtener el mapa de
cobertura de cada antena transmisora situada en la zona de demostración.
Para el registro de los datos se empleó el software Measurement Studio que se
integra con el dispositivo Tidycast capaz de medir y registrar los siguientes parámetros:
Potencia de la Señal. (Umbral de -100 dBm)
Block Error Rate.
SNR.
MER.
Análisis en tiempo real. (Conteo de los caminos de multitrayecto)
La potencia de señal medida en cada uno de los emplazamientos queda posicionada
en un mapa de Google Map gracias al GPS que se integra con el software a través de
un dispositivo USB de Bluetooth y los datos se registran en un proyecto que se salva en
el software. Como parte de este software también viene incluido el software CoverMap,
que genera el Mapa de Cobertura a partir de las mediciones realizadas en distintos
puntos y almacenadas en un proyecto.
El Mapa de Cobertura obtenido con este software tiene limitaciones. En primer lugar,
el valor de Potencia de señal incluye las pérdidas producto del set de medición utilizado
y el paso de la señal recibida en la antena por la híbrida de 4 puertos antes de ser
registrado el valor con el dispositivo Tidycast. En segundo lugar, en la recomendación
de la UIT-R que sirvió como base para la implementación de las mediciones se define la
cobertura como la determinación de las intensidades de campo reales medidas para
una facilidad de transmisión dada. Por lo tanto el mapa de cobertura debe realizarse
con los valores de intensidad de campo no con los valores de intensidad de señal
registrados en los diferentes puntos.
A partir de la potencia de señal el factor K de la antena y las pérdidas del cable
podemos calcular la intensidad de campo mediante la siguiente fórmula:
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Donde:
, Intensidad de campo.
; Factor K de la antena.
; Pérdidas del cable.
Con los valores medidos de intensidad de señal con el Tidycast, se pueden
primeramente corregir las pérdidas del sistema de medición y después calcular la
intensidad de campo. Estos valores quedaron registrados en una base de datos en
Excel. Ahora es necesario contar con una herramienta que sea capaz de generar el
mapa de cobertura a partir de los valores de intensidad de campo almacenados.
Matlab es la herramienta ideal para el procesamiento de estos datos, ya que es
capaz de realizar cálculo numérico rápido y con alta precisión, implementa gráficos y
modos de visualización avanzados, permite el empleo de un lenguaje de programación
de alto nivel mediante funciones y programas, contiene una extensa biblioteca de
funciones, entre muchas otras características. Entre dichas funciones se encuentran
instrucciones para lectura y escritura de datos en Microsoft Excel y funciones de
interpolación imprescindibles para la obtención de mapas de cobertura a partir de datos
registrados en puntos determinados.
En los anexos se presentan los mapas de cobertura de la Zona Oeste en intensidad
de campo, obtenidos con el empleo de Matlab.
4.1. Análisis de resultados
Los resultados obtenidos demuestran que es necesario ampliar la cantidad de
emplazamientos medidos y realizar una distribución más acorde con la especificada en
la recomendación para obtener resultados más precisos en el mapa de cobertura de
TDT. En el mapa la tendencia tiene que ser a zonas límites de cobertura concéntricas.
En los resultados en determinadas zonas esta no fue la tendencia debido
fundamentalmente a zonas con baja concentración de puntos, lo que no permitió un
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resultado totalmente preciso cuando se empleó el método de interpolación mediante
software.
Fig. 12: Mapa de cobertura de la Zona Oeste de la antena transmisora Televilla
obtenido con el software Measurement Studio
Para demostrar la eficacia de este programa se procede a presentar dos figuras a
modo de comparación. La primera contiene el mapa obtenido en el software
CoverMapintegrado al software Measurement Studio (Fig. 12) el cual registra los
valores medidos por el dispositivo Tidycast empleado en las pruebas de campo. Este
valor está referido a intensidad de señal y contiene las pérdidas del sistema de
medición empleado. Para realizar una comparación apropiada se genera el mapa de
cobertura de intensidad de señal con la aplicación de Matlab desarrollada (Fig. 13) y se
emplean los datos que incluyen las pérdidas del sistema de recepción empleado.
Ambos mapas tienen la misma escala de valores de -85 dBm a -30 dBm. Esta es una
posibilidad adicional de la aplicación en Matlab que permite establecer el valor máximo
y mínimo del mapa de colores.
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Fig. 13: Mapa de cobertura de la Zona Oeste de la antena transmisora Televilla
obtenido con la aplicación en Matlab desarrollada
Se observa que el patrón de cobertura en ambas figuras es idéntico, evidenciando el
excelente resultado que se obtiene en la generación de un mapa de cobertura con la
aplicación propuesta en este trabajo.
En el caso de la distribución apropiada de los emplazamientos de medida de
cobertura. La recomendación en el acápite sobre la selección estadística de
emplazamientos refiere que para obtener resultados estadísticamente significativos
debe disponerse de suficientes muestras de datos medidos a fin de reflejar la calidad de
funcionamiento real del sistema. Los puntos de medición se seleccionan comenzando a
una distancia de 3 km del transmisor y repitiéndose a intervalos de 3 km hasta llegar a
la distancia máxima a la que deben realizarse las mediciones. Estos puntos de medida
deben ubicarse a una distancia máxima entre sí de 20º.
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5. CONCLUSIONES
Este trabajo concluyó con la obtención de los mapas de cobertura de televisión digital
terrestre para los distintos transmisores que brindan servicio hacia el oeste de la zona
de demostración. Se demostró que Matlab es la herramienta ideal para realizar el
procesamiento de los datos y las representaciones gráficas de los datos registrados en
el proceso de pruebas de campo. Se cuenta con un programa capaz de generar el
mapa de cobertura a partir del registro de los datos de potencia de canal y/o intensidad
de campo. Este programa permitirá obtener los mapas de cobertura de los transmisores
en la zona de demostración una vez registrados los datos en todos los puntos de la
zona, este resultado puede mejorar ostensiblemente con la incorporación de nuevos
puntos estadísticamente distribuidos alrededor de cada transmisor.
La importancia de este código en Matlab es mayor aún, si tenemos en cuenta que se
puede reutilizar para incluir análisis posteriores a los incluidos una vez concluida las
pruebas, sin necesidad de tener que desarrollar nuevas mediciones en las
localizaciones.
6. BIBLIOGRAFÍA
[1] UIT-R BT.2035-2, «Directrices y técnicas para la evaluación de sistemas de
radiodifusión de televisión terrenal incluida la determinación de sus zonas de
cobertura.,» Unión Internacional de Telecomunicaciones, 11/2008.
[2] Standardization Administration of the People’s Republic of China, «GB20600-
2006: Framing Structure, Channel Coding and Modulation for Digital Television
Terrestrial Broadcasting System,» August 2006.
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7. ANEXOS
Fig. 14: Mapa de Cobertura expresado en Intensidad de Campo de la Zona
Oeste de la antena transmisora Televilla
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Fig. 15: Mapa de Cobertura expresado en Intensidad de Campo de la Zona
Oeste de la antena transmisora Habana Libre
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Fig. 16: Mapa de Cobertura expresado en Intensidad de Campo de la Zona
Oeste de la antena transmisora Balcón de Lawton
